Atomar aufgelöstes Bild des Ti-Untergitters in dem von BaTiO3 abgeleiteten oxidischen Quasikristall. Überlagert ist das Bild mit einer schematischen Darstellung des Aufbaus der Struktur aus Quadraten, Dreiecken und Rhomben.

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Nachwuchsgruppe / Junior Research Group

Zweidimensionale oxidische Quasikristalle

Projektleiter

Zusammenfassung

Mit den zweidimensionalen oxidischen Quasikristallen wurde 2013 an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg eine neue Materialklasse entdeckt. Bis dato waren Quasikristalle lediglich in verschiedenen Metalllegierungen und organischen Materialien bekannt.

Bei den zweidimensionalen oxidischen Quasikristallen handelt es sich um die ersten quasikristallinen Strukturen, die in Oxiden gefunden wurden. Sie bilden sich in monoatomaren Schichten ternärer Oxide auf den Oberflächen metallischer Einkristalle. Durch das Heizen der Oxidschichten unter reduzierenden Bedingungen im Ultrahochvakuum breitet sich ein benetzender Oxidteppich über die gesamte Metalloberfläche aus, in dem abhängig von der Heiztemperatur verschiedene langreichweitig geordnete Strukturen auftreten. Das besondere strukturelle Merkmal der quasikristallinen Schichten ist das Fehlen einer Translationssymmetrie und das Ausbilden eines zwölfzähligen Beugungsmusters. Mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie konnte gezeigt werden, dass diese Strukturen als Kachelung aus Quadraten, Dreiecken und Rhomben aufgebaut sind, die mit der sogenannten Niizeki-Gähler-Kachelung ein ideal zwölfzähliges mathematisches Analogon besitzen.

Die Nachwuchsgruppe hat sich zum Ziel gesetzt, die Voraussetzungen zur Bildung der oxidischen Quasikristalle systematisch zu untersuchen. Bisher sind oxidische Quasikristalle ausgehend von BaTiO3- und SrTiO3-Schichten auf Pt(111)-Oberflächen bekannt. Prinzipiell gibt es allerdings eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten chemisch ähnlicher Materialien, die auch zur Bildung von Quasikristallen führen könnten. Auf Seiten der Oxide lässt sich aus den isostrukturellen Perowskiten wählen und bei den Metallen erfüllen die Metalle der Platingruppe (z.B. Iridium, Palladium, Rhodium oder Ruthenium) die wichtigsten Voraussetzungen, um als Substrat zu dienen, nämlich die Hochtemperaturbeständigkeit und relative Unempfindlichkeit gegen hohe Sauerstoffpartialdrücke. Eine interessante Kenngröße, die in einem entscheidenden Zusammenhang mit der Bildung der Quasikristalle stehen sollte, ist die Gitterfehlanpassung zwischen dem Oxid und dem Metallsubstrat. Für den besonders wohlgeordneten Quasikristall aus BaTiO3 auf Pt(111) beträgt dieser -2,0 %, d.h. der Gitterabstand im oxidischen Ausgangsmaterial ist etwas größer als der des Metalls. Im Falle des weniger gut geordneten SrTiO3 auf Pt(111) stimmen die Gitterparameter dagegen überein. Wechselt man vom Pt(111)-Substrat zu Ir(111), so erhält man für SrTiO3 mit -2.1 % eine ähnliche Konfiguration wie im System BaTiO3/Pt(111). Mit -0.8 % ergibt sich zudem für SrTiO3/Pd(111) zudem noch ein Zwischenwert. Einen Schwerpunkt wird daher die Untersuchung von ultradünnen SrTiO3-Schichten auf verschiedenen Substraten bilden.

Neben weiterführenden Untersuchungen an den bekannten perowskitischen Systemen SrTiO3 und BaTiO3 ist die Suche nach Quasikristallen in zweidimensionalen BaFeO3- oder BaCoO3-Schichten geplant. In solchen Quasikristallen würden sich Untergitter aus magnetischen Fe- bzw. Co-Ionen mit zwölfzähliger Symmetrie ergeben, deren magnetische Ordnung völlig unbekannt ist.

Bezüglich des Benetzungsverhaltens der Oxidfilme auf der Metalloberfläche stellt ein Zr-haltiges ternäres Oxid ein weiteres wichtiges System dar. Bisher wird davon ausgegangen, dass die Bildung der Benetzungsstrukturen in reduzierten Oxidfilmen geschieht, d.h. der Oxidationszustand des Übergangsmetallions wird von 4+ auf 3+ verringert. Alternativ wäre aber auch ein Übertrag von Elektronen zur metallischen Unterlage möglich, was bedeuten würde, dass die zweidimensionalen Filme vollständig oxidiert wären. Ein Metall wie Zr, dass entweder vierwertig oder zweiwertig vorliegen kann, also nicht den Oxidationszustand 3+ annimmt, ist ein perfekter Kandidat, um diese Frage abschließend beantworten zu können.

Mitarbeiter

  • Dr. Maniraj Mahalingam

Doktoranden

  • Vinh Lợi Trần

 

(letzte Änderung: 06.02.2019, 14:19 Uhr)